油田伴生氣輕烴回收淺冷工藝的對比研究

武 娜 薛 慧 北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

輕烴回收的方法一般有三種：吸附法、油吸收法和低溫分離法，前兩種方法具有局限性[1]。其中，吸附法因吸附劑吸附容量及運(yùn)行成本較高等問題未得到很好的解決，一直尚未在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用[2]，一般只適用于小氣量且重?zé)N含量不高的天然氣；而油吸收法雖然可以明顯提升輕烴組分的回收率，但是存在工藝復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本偏高的問題；低溫分離回收工藝應(yīng)用較為廣泛和成熟，但是存在能耗較大、效益不理想的問題，所以輕烴回收技術(shù)也在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新，人們的關(guān)注度也在不斷提高。

低溫分離法根據(jù)冷凝溫度的不同，分為淺冷、中冷和深冷工藝。淺冷工藝常用氨或丙烷制冷，C3收率一般僅為50%～65%[3]。中冷或深冷工藝需要混合冷劑、透平膨脹制冷或冷劑和膨脹機(jī)聯(lián)合制冷來實(shí)現(xiàn)，通常用在回收乙烷或丙烷收率要求高的工況。

油氣田井場布置分散且地處偏遠(yuǎn)，油田伴生氣具有氣量小、氣質(zhì)懸殊大、地點(diǎn)分散、就地?zé)o用戶、經(jīng)濟(jì)利用價值低的特點(diǎn)，大多被直接排放或燃燒，這既浪費(fèi)寶貴資源，又污染環(huán)境，因地制宜地建立小型撬裝輕烴回收站，合理地開發(fā)利用這部分天然氣資源，可以變資源為產(chǎn)能。處理合格的天然氣可站內(nèi)發(fā)電自用或壓縮成CNG外輸、 回收的液體作為混烴或液化石油氣和輕油外運(yùn),極大增強(qiáng)了油氣田零散井口氣資源的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。在工藝方案確定前, 要結(jié)合氣質(zhì)組分、市場情況、現(xiàn)場情況以及投資等給出合適的工藝路線及選擇建議。

經(jīng)過對延長油田三大油區(qū)的各增壓站和聯(lián)合站調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各站的伴生氣產(chǎn)量多數(shù)小于10×104Nm3/d。對于氣量小于1.0×104Nm3/d的伴生氣，一般作為站內(nèi)自用氣(自發(fā)電或作為燃料氣)；氣量在1.0×104～10.0×104Nm3/d采用小型撬裝輕烴回收裝置。調(diào)研已運(yùn)行的回收裝置，對于集氣量≤2.0×104m3/d的建設(shè)混烴回收裝置，集氣量>2.0×104m3/d的建設(shè)輕烴回收裝置。因此本文選取4.0×104Nm3/d的規(guī)模作為研究基礎(chǔ)，從經(jīng)濟(jì)性和能耗以及設(shè)備投資方面對兩種改進(jìn)的淺冷工藝進(jìn)行分析研究。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及產(chǎn)品指標(biāo)

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以采油廠區(qū)塊下井組(24-40、吳5—117、吳24-70、吳49-1、薛岔5-150、新寨20-75-3、49-816和吳93站旗20-34)氣樣組成的平均值作為原料氣，參考組成見表1。

根據(jù)各輕烴回收站場的生產(chǎn)情況，確定關(guān)鍵點(diǎn)的操作條件，見表2。

1.2 產(chǎn)品指標(biāo)

處理后的干氣和液化氣(LPG)及穩(wěn)定輕烴符合下列相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)：干氣符合《天然氣》GB17820-2018的Ⅱ類氣質(zhì)量要求；液化石油氣(LPG)符合《液化石油氣》GB11174-2011的質(zhì)量要求；穩(wěn)定輕烴符合《穩(wěn)定輕烴》GB9053-1998的質(zhì)量要求。具體產(chǎn)品指標(biāo)見表3～表5。

表1 原料氣參考組分

表2 關(guān)鍵點(diǎn)操作參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

表3 干氣指標(biāo)

表4 液化氣指標(biāo)

表5 穩(wěn)定輕烴指標(biāo)

2.1 流程簡述

國內(nèi)大多數(shù)淺冷裝置都采用丙烷制冷法[4]。即低溫冷箱所需要的冷量由外部制冷系統(tǒng)提供，外供冷量的優(yōu)點(diǎn)是制冷不受原料氣組分的影響、對原料氣的壓力也無嚴(yán)格要求，生產(chǎn)中可通過調(diào)整制冷量來適應(yīng)原料氣量、原料組成以及季節(jié)等氣候溫度的變化。常規(guī)淺冷工藝流程見圖1。

圖1 常規(guī)淺冷工藝流程

常規(guī)的淺冷工藝，相當(dāng)一部分丙烷從低溫分離器和脫乙烷塔頂餾出進(jìn)入干氣，故而C3收率只能達(dá)到50%左右。

本文根據(jù)脫乙烷塔頂氣排出方式的不同，摻入原料氣或回流，從能耗和設(shè)備投資等方面來分析兩種改進(jìn)淺冷工藝與常規(guī)淺冷工藝。

(1)脫乙烷塔頂氣摻入原料氣的淺冷流程。脫乙烷塔頂氣體經(jīng)循環(huán)氣壓縮機(jī)增壓后摻入原料氣，使C3收率提高的同時彌補(bǔ)了進(jìn)氣不穩(wěn)定的情況、有利于穩(wěn)定裝置操作。塔頂氣摻入原料氣的淺冷流程見圖2。

圖2 塔頂氣摻入原料氣的淺冷流程

(2)脫乙烷塔頂氣回流的淺冷流程。脫乙烷塔外或塔頂部通過制冷劑冷凝產(chǎn)生部分回流，液體返回塔頂、塔頂未冷凝下來的氣體返回干氣。脫乙烷塔頂氣回流的淺冷流程見圖3。

圖3 脫乙烷塔頂氣回流的淺冷流程

2.2 模擬結(jié)果

通過HYSYS軟件模擬計算，匯總各流程的產(chǎn)品特性、能耗及收率結(jié)果。其中三種工藝產(chǎn)品的溫度、壓力及組成見表6，能耗及收率見表7。

2.3 不同流程的投資和收益

根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)以及咨詢相關(guān)廠家，對三種工藝流程的設(shè)備尺寸及投資進(jìn)行匯總，見表8；對于流程中涉及的原料消耗、產(chǎn)品量及產(chǎn)品收益匯總見表9。

2.4 結(jié)果分析

結(jié)合計算數(shù)據(jù)以及投資和收益進(jìn)行分析，以常規(guī)淺冷工藝的設(shè)備投資和收益為基數(shù)1.0進(jìn)行對比，則塔頂氣摻入原料氣工藝的設(shè)備投資約1.081，年收益1.095；脫乙烷塔頂氣回流工藝的設(shè)備投資約1.037，年收益1.094。數(shù)據(jù)分析表明，兩種工藝的收益相差很小，塔頂氣摻入原料氣的工藝只增加壓縮機(jī)組因而整體操作相對簡單，但設(shè)備投資及后期維修費(fèi)用比脫乙烷塔頂氣回流工藝要高。三種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表10。

3 結(jié)語

(1)通過對設(shè)備、能耗、收益以及優(yōu)缺點(diǎn)分析可知，對于氣源波動較大或原料氣較貧、塔頂氣量較小的站場，為穩(wěn)定原料氣源或由于塔頂氣量較小、流程內(nèi)所增加的能耗不多，推薦塔頂氣摻入原料氣的工藝流程；而對于原料氣充足的站場，由于塔頂氣量較大，若在流程內(nèi)循環(huán)會大幅增加設(shè)備尺寸且增加能耗，因此推薦采用脫乙烷塔頂氣回流的工藝流程。

(2)對氣源較貧、回收效益不大的氣源, 可以減掉液化氣塔橇。根據(jù)社科院2018年發(fā)布的《中國能源前景2018～2050》報告，未來電力領(lǐng)域的增量將有較大部分來自于天然氣發(fā)電。天然氣發(fā)電將擺脫目前作為調(diào)峰電源的地位，成為主要發(fā)電形式之一，因此對于偏遠(yuǎn)地區(qū)CNG無銷路的站場，干氣也可以用來發(fā)電、上傳電網(wǎng)。

表6 產(chǎn)品特性一覽表

注：表中數(shù)值為HYSYS模擬理論計算值。

表7 能耗及收率結(jié)果一覽表

注：① 表中數(shù)值為HYSYS模擬理論計算值；② 耗電量包含制冷系統(tǒng)、分子篩脫水和空冷的消耗。

表8 工藝設(shè)備投資一覽表

注：① 低溫分離橇(包括設(shè)備：低溫分離罐D(zhuǎn)N500×1500，低溫冷箱)；② 脫乙烷塔頂回流橇(包括：塔頂回流罐D(zhuǎn)N500×1500，塔頂循環(huán)泵Q=0.5m3/h H=50m，塔頂換熱器BEM DN500×2500)；③ 脫乙烷塔橇(包括設(shè)備：乙烷塔DN300×15000，再沸器BJM DN300×1500)；④ 液化氣塔橇(包括設(shè)備：液化氣塔DN300×15000，再沸器BJM DN300×1500，塔頂換熱器BEM DN500×2500，塔頂回流罐D(zhuǎn)N800×1800，回流泵Q=1.5 m3/h)。

表9 消耗/產(chǎn)量及收益一覽表

注：① 表中數(shù)值為HYSYS模擬理論計算值；② 偏遠(yuǎn)地區(qū)多為自打井，故耗水量產(chǎn)生的費(fèi)用不在考慮范圍內(nèi)；③ 年生產(chǎn)時間：330d。

表10 三種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對比表